Le professeur Technion Ido Kaminer et son équipe ont fait une percée spectaculaire dans le domaine de la science quantique :un microscope quantique qui enregistre le flux de lumière, permettant l'observation directe de la lumière piégée à l'intérieur d'un cristal photonique.

Leurs recherches, "Interaction cohérente entre les électrons libres et une cavité photonique, " a été publié dans La nature . Toutes les expériences ont été réalisées à l'aide d'un microscope électronique à transmission ultrarapide unique au Technion-Israel Institute of Technology. Le microscope est le plus récent et le plus polyvalent d'une poignée qui existe dans le monde scientifique.

"Nous avons développé un microscope électronique qui produit, ce qui est à bien des égards, la meilleure microscopie optique en champ proche au monde. À l'aide de notre microscope, nous pouvons changer la couleur et l'angle de la lumière qui illumine n'importe quel échantillon de nanomatériaux et cartographier leurs interactions avec les électrons, comme nous l'avons démontré avec les cristaux photoniques, " a expliqué le Pr Kaminer. " C'est la première fois que nous pouvons réellement voir la dynamique de la lumière alors qu'elle est piégée dans des nanomatériaux, plutôt que de se fier à des simulations informatiques, " a ajouté le Dr Kangpeng Wang, un post-doctorant dans le groupe et premier auteur de l'article.

Toutes les expériences ont été réalisées au microscope électronique à transmission ultrarapide dans le laboratoire de dynamique quantique des faisceaux d'électrons Robert et Ruth Magid dirigé par le professeur Kaminer. Il est membre du corps professoral de la faculté de génie électrique Andrew et Erna Viterbi et du Solid State Institute, et affilié au Helen Diller Quantum Center et au Russell Berrie Nanotechology Institute. L'équipe de recherche comprend également :Dr Kangpeng Wang, Raphaël Dahan, Michel Shentcis, Dr Yaron Kauffmann, Adi Ben Hayun, Ori Reinhardt, et Shai Tsess.

Applications de grande envergure

Cette percée est susceptible d'avoir un impact sur de nombreuses applications potentielles, y compris la conception de nouveaux matériaux quantiques pour stocker des bits quantiques avec une plus grande stabilité. De la même manière, cela peut aider à améliorer la netteté des couleurs sur les téléphones portables et autres types d'écrans.

"Cela aura un impact encore plus large une fois que nous aurons investigué des matériaux nano/quantiques plus avancés. Nous avons un microscope à très haute résolution et nous commençons à explorer les prochaines étapes, » a précisé le Pr Kaminer. « Par exemple, les écrans les plus avancés au monde utilisent aujourd'hui la technologie QLED basée sur les points quantiques, permettant de contrôler le contraste des couleurs à une définition beaucoup plus élevée. Le défi consiste à améliorer la qualité de ces minuscules points quantiques sur de grandes surfaces et à les rendre plus uniformes. Cela améliorera la résolution de l'écran et le contraste des couleurs encore plus que ne le permettent les technologies actuelles."

Un nouveau type de matière quantique

Le microscope électronique à transmission ultrarapide du laboratoire AdQuanta du professeur Kaminer a une tension d'accélération qui varie de 40 kV à 200 kV (accélère les électrons à 30-70% de la vitesse de la lumière), et un système laser avec des impulsions femtosecondes inférieures à 100 à 40 watts. Le microscope à transmission électronique ultrarapide est une configuration pompe-sonde femtoseconde qui utilise des impulsions lumineuses pour exciter l'échantillon et des impulsions électroniques pour sonder l'état transitoire de l'échantillon. Ces impulsions d'électrons pénètrent dans l'échantillon et l'imagent. L'inclusion de capacités multidimensionnelles dans une configuration est extrêmement utile pour la caractérisation complète d'objets à l'échelle nanométrique.

Au cœur de cette percée se trouve le fait que les progrès de la recherche sur les interactions ultrarapides électrons libres-lumière ont introduit un nouveau type de matière quantique :les « paquets d'ondes » d'électrons libres quantiques. Autrefois, l'électrodynamique quantique (QED) a étudié l'interaction de la matière quantique avec les modes de cavité de la lumière, ce qui a été crucial dans le développement de la physique sous-jacente qui constitue l'infrastructure des technologies quantiques. Cependant, toutes les expériences à ce jour se sont uniquement concentrées sur la lumière interagissant avec des systèmes à électrons liés, tels que les atomes, points quantiques, et les circuits quantiques - qui sont considérablement limités dans leurs états d'énergie fixes, gamme spectrale, et les règles de sélection. Paquets d'ondes quantiques à électrons libres, cependant, n'ont pas de telles limites. Malgré de multiples prédictions théoriques de nouveaux effets de cavité passionnants avec des électrons libres, aucun effet de cavité photonique n'a été observé auparavant pour les électrons libres, en raison des limites fondamentales de la force et de la durée de l'interaction.

Le Pr Kaminer et son équipe ont développé une plateforme expérimentale pour l'étude multidimensionnelle des interactions d'électrons libres avec des photons à l'échelle nanométrique. Leur microscope unique a réalisé des cartes optiques de champ proche record en utilisant la nature quantique des électrons, qui ont été vérifiées en observant des oscillations de Rabi du spectre électronique qui ne peuvent pas être expliquées par la théorie classique pure.

Des interactions électron libre-cavité-photon plus efficaces pourraient permettre un couplage fort, synthèse d'états quantiques de photons, et de nouveaux phénomènes non linéaires quantiques. Le domaine de la microscopie électronique et des domaines supplémentaires de la physique des électrons libres peuvent bénéficier de la fusion avec des cavités photoniques, permettant une faible dose, microscopie électronique ultrarapide de la matière molle ou d'autres matériaux sensibles aux faisceaux.

Le professeur Kaminer espère que le microscope servira la communauté plus large du Technion dans d'autres domaines de recherche. « Je souhaite favoriser la collaboration interdisciplinaire, " il a noté.